性能更佳的3D夾芯板制造 zund G3 3XL-3200-蜂巢板台中雷射切割雕刻代工－楊惠平焦點新聞熱搜

性能更佳的3D夾芯板制造
楊瑩編譯
(上海玻璃鋼研究院有限公司，201404上海)

摘　要

　　Acrosoma^®3D縫合板是一種可大量生產的高科技產品，用它制成的結構質量輕，能夠承受高載荷，具有低熱膨脹。本文介紹了如何使用三維夾芯板推動復合材料在結構應用上的極限。

　　工業上對于結構復合材料的需求與日俱增，對材料的要求和限制也日趨嚴格。由于需要較高的比強度和比剛度。使用普通復合材料已經達到了它們的極限。夾層結構被越來越多地考慮用于動態負荷結構中，比如風力機葉片、飛機構件和載重拖車。但是，仍然存在三個主要問題：當前生產技術不具備成本效益、難以阻止損壞發生、分層不受控制。Acrosoma NV公司已開發出一項先進的、具有成本效益的、可進行連續生產的技術，該技術能夠解決上述三個問題。工程小組做了深入的理論和應用研究，以了解三維夾芯板的表現性能。然后，他們對夾芯板和生產工藝進行了優化，在有限元模型和廣泛測試的基礎上持續不斷地進行完善。
　　三維夾芯板現已成功應用于制造飛機的設備和工裝、風力機葉片和載重拖車。這些實例提供了可靠的數據，將用于進一步開發這項有前景的新技術。本文主要介紹了這項技術、計算方法和一些成功的實例。

1　介紹

1.1　概論
　　夾層結構在過去已經證明了它的潛力，它的主要優點是彎曲剛度與重量比高。由于芯材較輕，剛性蒙皮能夠遠離中性軸，增加彎曲剛度。夾層結構的一個缺點是它的抗分層性較差。因為中心和蒙皮(但僅限于樹脂)之間沒有增強材料聯接，所以結構容易分層。Acrosoma NV已經開發出一款名為Acrosoma^®的縫合夾芯板。縫合能夠提高夾層結構在厚度方向上的性能，也就是抗分層性。關于縫合對重要參數(比如彎曲、壓縮、剪切)的影響問題已進行了大量的研究。一個經過縫合的夾層結構的性能不同于一個未經縫合的夾層結構，因此很難表征Acrosoma^®這樣的縫合夾層結構。Acrosoma NV已開發出表征3D增強材料的方法。
1.2　生產工藝
　　將兩種現有的技術――簇絨和拉擠成型結合，開發出一項可靠的、可進行連續生產三維結構夾芯板的工藝。泡沫芯材放入整臺機器中，上下部分均鋪放纖維，再使用改良后的簇絨織機進行縫合。在板的底部使用z字型縫合，以便于這些材料進入樹脂注射室和模頭中（見圖1、圖2）。

　　雖然這個想法乍看之下很簡單，但是從用于拖車行業的板材發展到可應用于航空航天領域的板材花費了數年的時間。

2　工程方法

　　為了展現Aerosoma^®結構的優點，并論證其性能，公司開發出一套能夠模擬結構性能的內部方法。這套以有限元為基礎的模擬程序的步是在CATIAV5^®中建造3D模型。材料(包括鋪層中的各層)的性能是用歐洲空間局(ESA)開發的界面程序ESAComp^®來進行模擬。
　　大多數有限元模型能夠極其精準地模擬復合材料結構，但對3D結構則不能，尤其當結構中的纖維密度在一個方向上與其它兩個方向相差甚遠的情況下，比如Acrosoma^®板。這就需要特定的界面程序。公司在歐洲空間局的幫助下采用了這個方法，將材料和3D模型結合起來，然后使用有限元進行模擬。從界面程序輸入的各個鋪層分配給各個幾何區域。通過在有限元模型中使用適當的負荷條件和極限條件，能夠進行計算，然后對結果進行評估和比較。在這里使用的有限元程序是ABAQUS^®。這些都是為了優化鋪層的結構層(見圖3)。

3 梁的生產

　　機器能夠制造出各種組合的三維縫合板。下列圖片顯示的是碳纖維蒙皮板的生產過程。采用連續生產過程，能制造出長達40米的板(見圖4)。
　　這些長板被切成長條狀，放人液壓裝配夾具中(見圖5)，并和拉擠角型材膠接在一起形成一根梁(見圖6)。

4　可能的界面

　　以Acrosoma^®為基礎的結構可以和鉚螺母、鋼板或玻纖樹脂層板面接。
4.1　與鉚螺母面接
　　鉚螺母放入固化后的板中。當不能穿過板時，鉚螺母能夠使物體固定在結構上。鉚螺母的尺寸從M8到M12(見圖7)。鉚螺母只能放在板的一側。由于板是三維結構的，所有的壓力都轉移到板的兩面上(見圖8)。

4.2　與鋼板面接
　　鋼板連接在板上，這些鋼板上都有螺絲孔，因此能夠將物體固定在鋼板上(見圖9)。

　　當存在剝離力時，鋼板能夠與Acrosoma^®板固定住。在這種情況下，必須要把另一塊鋼板固定在板的另一面，并用軸襯嵌入，借此將壓力轉移到另一面上。
4.3　與玻纖樹脂層板面接
　　玻纖-樹脂層板連接在板上。這些層板的厚度從3mm到20mm不等，應用包括局部增強或點載荷的引入、間隔板、帶有螺絲孔的連接板(見圖10)。

5　高端應用

　　在過去幾年里，Acrosoma小組使用本文介紹的先進技術，設計、測試和制造了多個復合材料結構。
　　復合材料越來越多地被用作關鍵部件的結構材料。在近二十年里，Acrosoma NV公司在該領域取得了很多經驗。這些經驗是分享行業知識、開發用于復合材料結構替代鋼結構的基本規則的一個良好基礎。新結構需要滿足以下基本規則：
　　(1)保持先前所有的性能：
　　(2)至少具有一項新的性能：
　　(4)鑒于市場反應，必須有可能從小批量開始。
5.1　運輸設備
　　在Stade和ILLescas工廠，A350XWB飛機機翼由水平運輸工具(HTT)進行運輸和吊裝。該工具結構剛度高，在2.8噸負荷下，總長33米的結構彎曲了僅7毫米，重量很輕，僅3.6噸，使得成本下降（見圖11）。

5.2　裝配設備
　　上述移動式裝配夾具是用來組裝A350XWB飛機的外側襟翼。它的重量為1700千克，中間有0.45毫米的偏斜。其總長度13米，當溫差為l0℃時，熱膨脹為0.25毫米(見圖12)。

5.3　基礎結構
　　上述大型框架是開發用于A350XWB機翼前緣夾具的基礎。該組合物總長度為40米，每升高l0℃，熱膨脹為0.25毫米。該物體的頂部和底部都粘接鋼板。這些板在垂直方向上的偏差為+/-0.5毫米(見圖13)。圖11和圖12分別顯示的是適當的繞紗角度和作為軸向坐標的單層膜厚度。繞紗角度和厚度對正確開發助推火箭的有限元模型是十分必要的(見圖13)。

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